第二章 HDL指南

模塊

模塊是Verilog 的基本描述單位，用于描述某個設(shè)計的功能或結(jié)構(gòu)及其與其他模塊通信的外部端口。一個設(shè)計的結(jié)構(gòu)可使用開關(guān)級原語、門級原語和用戶定義的原語方式描述; 設(shè)計的數(shù)據(jù)流行為使用連續(xù)賦值語句進(jìn)行描述; 時序行為使用過程結(jié)構(gòu)描述。一個模塊可以在另一個模塊中使用。

一個模塊的基本語法如下：
module module_name (port_list);
Declarations:
reg, wire, parameter,
input, output, inout,
function, task, . . .
Statements:
Initial statement
Always statement
Module instantiation
Gate instantiation
UDP instantiation
Continuous assignment
endmodule
說明部分用于定義不同的項，例如模塊描述中使用的寄存器和參數(shù)。語句定義設(shè)計的功能和結(jié)構(gòu)。說明部分和語句可以散布在模塊中的任何地方；但是變量、寄存器、線網(wǎng)和參數(shù)等的說明部分必須在使用前出現(xiàn)。為了使模塊描述清晰和具有良好的可讀性, 最好將所有的說明部分放在語句前。本書中的所有實例都遵守這一規(guī)范。
以下為建模一個半加器電路的模塊的簡單實例。
module HalfAdder (A, B, Sum, Carry);
input A, B;
output Sum, Carry;
assign #2 Sum = A ^ B;
assign #5 Carry = A & B;
endmodule
模塊的名字是HalfAdder。 模塊有4個端口: 兩個輸入端口A和B，兩個輸出端口Sum和Carry。由于沒有定義端口的位數(shù), 所有端口大小都為1位；同時, 由于沒有各端口的數(shù)據(jù)類型說明, 這四個端口都是線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型。
模塊包含兩條描述半加器數(shù)據(jù)流行為的連續(xù)賦值語句。從這種意義上講，這些語句在模塊中出現(xiàn)的順序無關(guān)緊要，這些語句是并發(fā)的。每條語句的執(zhí)行順序依賴于發(fā)生在變量A和B上的事件。
在模塊中，可用下述方式描述一個設(shè)計：
1) 數(shù)據(jù)流方式;
2) 行為方式;
3) 結(jié)構(gòu)方式;
4) 上述描述方式的混合。
下面幾節(jié)通過實例講述這些設(shè)計描述方式。不過有必要首先對Verilog HDL的時延作簡要介紹。

時延

Verilog HDL模型中的所有時延都根據(jù)時間單位定義。 下面是帶時延的連續(xù)賦值語句實例。
assign #2 Sum = A ^ B;
#2指2個時間單位。
使用編譯指令將時間單位與物理時間相關(guān)聯(lián)。這樣的編譯器指令需在模塊描述前定義，如下所示:
` timescale 1ns /100ps
此語句說明時延時間單位為1ns并且時間精度為100ps (時間精度是指所有的時延必須被限定在0.1ns內(nèi))。 如果此編譯器指令所在的模塊包含上面的連續(xù)賦值語句, #2 代表2ns。
如果沒有這樣的編譯器指令, Verilog HDL 模擬器會指定一個缺省時間單位。IEEE Verilog HDL 標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定缺省時間單位。

數(shù)據(jù)流描述方式
用數(shù)據(jù)流描述方式對一個設(shè)計建模的最基本的機制就是使用連續(xù)賦值語句。在連續(xù)賦值語句中，某個值被指派給線網(wǎng)變量。 連續(xù)賦值語句的語法為:
assign [delay] LHS_net = RHS_ expression;
右邊表達(dá)式使用的操作數(shù)無論何時發(fā)生變化, 右邊表達(dá)式都重新計算, 并且在指定的時延后變化值被賦予左邊表達(dá)式的線網(wǎng)變量。時延定義了右邊表達(dá)式操作數(shù)變化與賦值給左邊表達(dá)式之間的持續(xù)時間。如果沒有定義時延值, 缺省時延為0。
下面的例子顯示了使用數(shù)據(jù)流描述方式對2-4解碼器電路的建模的實例模型。
`timescale 1ns/ 1ns
module Decoder2x4 (A, B, EN, Z);
input A, B, EN;
output [ 0 :3] Z;
wire Abar, Bbar;
assign #1 Abar = ~ A; / / 語句 1。
assign #1 Bbar = ~ B; / / 語句 2。
assign #2 Z[0] = ~ (Abar & Bbar & EN) ; / / 語句 3。
assign #2 Z[1] = ~ (Abar & B & EN) ; / / 語句 4。
assign #2 Z[2] = ~ (A & Bbar & EN) ; / / 語句 5。
assign #2 Z[3] = ~ (A & B & EN) ; / / 語句 6。
endmodule
以反引號“ ` ”開始的第一條語句是編譯器指令, 編譯器指令`timescale 將模塊中所有時延的單位設(shè)置為1 ns，時間精度為1 ns。例如，在連續(xù)賦值語句中時延值#1和#2分別對應(yīng)時延1 ns和2 ns。
模塊Decoder2x4有3個輸入端口和1個4位輸出端口。線網(wǎng)類型說明了兩個連線型變量Abar和Bbar (連線類型是線網(wǎng)類型的一種)。此外，模塊包含6個連續(xù)賦值語句。
當(dāng)EN在第5 ns變化時,語句3、4、5和6執(zhí)行。這是因為EN是這些連續(xù)賦值語句中右邊表達(dá)式的操作數(shù)。Z[0]在第7 ns時被賦予新值0。當(dāng)A在第15 ns變化時, 語句1、5和6執(zhí)行。執(zhí)行語句5和6不影響Z[0]和Z[1]的取值。執(zhí)行語句5導(dǎo)致Z[2]值在第17 ns變?yōu)?。執(zhí)行語句1導(dǎo)致Abar在第16 ns被重新賦值。由于Abar的改變，反過來又導(dǎo)致Z[0]值在第18 ns變?yōu)?。
請注意連續(xù)賦值語句是如何對電路的數(shù)據(jù)流行為建模的；這種建模方式是隱式而非顯式的建模方式。此外,連續(xù)賦值語句是并發(fā)執(zhí)行的，也就是說各語句的執(zhí)行順序與其在描述中出現(xiàn)的順序無關(guān)。

行為描述方式

設(shè)計的行為功能使用下述過程語句結(jié)構(gòu)描述：
1) initial語句：此語句只執(zhí)行一次。
2) always語句：此語句總是循環(huán)執(zhí)行, 或者說此語句重復(fù)執(zhí)行。
只有寄存器類型數(shù)據(jù)能夠在這兩種語句中被賦值。寄存器類型數(shù)據(jù)在被賦新值前保持原有值不變。所有的初始化語句和always語句在0時刻并發(fā)執(zhí)行。
下例為always語句對1位全加器電路建模的示例。
module FA_Seq (A, B, Cin, Sum, Cout);
input A, B, Cin;
output Sum, Cout;
reg Sum, Cout;
reg T1, T2, T3;
always
@ ( A or B or Cin ) begin
Sum = (A ^ B) ^ Cin;
T1 = A & Cin;
T2 = B & Cin;
T3 = A & B;
Cout = (T1| T2) | T3;
end
endmodule
模塊FA_Seq 有三個輸入和兩個輸出。由于Sum、Cout、T1、T2和T3在always 語句中被賦值,它們被說明為 reg 類型(reg 是寄存器數(shù)據(jù)類型的一種)。always 語句中有一個與事件控制(緊跟在字符@ 后面的表達(dá)式)。相關(guān)聯(lián)的順序過程(begin-end對)。這意味著只要A、B或Cin 上發(fā)生事件，即A、B或Cin之一的值發(fā)生變化，順序過程就執(zhí)行。在順序過程中的語句順序執(zhí)行，并且在順序過程執(zhí)行結(jié)束后被掛起。順序過程執(zhí)行完成后，always 語句再次等待A、B或Cin上發(fā)生的事件。
在順序過程中出現(xiàn)的語句是過程賦值模塊化的實例。模塊化過程賦值在下一條語句執(zhí)行前完成執(zhí)行。過程賦值可以有一個可選的時延。
時延可以細(xì)分為兩種類型:
1) 語句間時延: 這是時延語句執(zhí)行的時延。
2) 語句內(nèi)時延: 這是右邊表達(dá)式數(shù)值計算與左邊表達(dá)式賦值間的時延。
下面是語句間時延的示例：
Sum = (A ^ B) ^ Cin;
#4 T1 = A & Cin;
在第二條語句中的時延規(guī)定賦值延遲4個時間單位執(zhí)行。就是說，在第一條語句執(zhí)行后等待4個時間單位，然后執(zhí)行第二條語句。下面是語句內(nèi)時延的示例。
Sum = #3 (A^ B) ^ Cin;
這個賦值中的時延意味著首先計算右邊表達(dá)式的值, 等待3個時間單位，然后賦值給Sum。
如果在過程賦值中未定義時延，缺省值為0時延，也就是說，賦值立即發(fā)生。這種形式以及在always 語句中指定語句的其他形式將在第8章中詳細(xì)討論。
下面是initial語句的示例：
`timescale 1ns / 1ns
module Test (Pop, Pid);
output Pop, Pid;
reg Pop, Pid;
initial
begin
Pop = 0; // 語句 1。
Pid = 0; // 語句 2。
Pop = #5 1; // 語句 3。
Pid = #3 1; // 語句 4。
Pop = #6 0; // 語句 5。
Pid = #2 0; // 語句 6。
end
endmodule
initial語句包含一個順序過程。這一順序過程在0 ns時開始執(zhí)行，并且在順序過程中所有語句全部執(zhí)行完畢后, initial語句永遠(yuǎn)掛起。這一順序過程包含帶有定義語句內(nèi)時延的分組過程賦值的實例。語句1和2在0 ns時執(zhí)行。第三條語句也在0時刻執(zhí)行,導(dǎo)致Pop 在第5 ns時被賦值。語句4在第5 ns執(zhí)行,并且Pid 在第8 ns被賦值。同樣，Pop在14 ns被賦值0，Pid在第16 ns被賦值0。第6條語句執(zhí)行后，initial語句永遠(yuǎn)被掛起。

結(jié)構(gòu)化描述形式

在Verilog HDL中可使用如下方式描述結(jié)構(gòu):
1) 內(nèi)置門原語(在門級)；
2) 開關(guān)級原語(在晶體管級)；
3) 用戶定義的原語(在門級)；
4) 模塊實例 (創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu))。
通過使用線網(wǎng)來相互連接。下面的結(jié)構(gòu)描述形式使用內(nèi)置門原語描述的全加器電路實例。
module FA_Str (A, B, Cin, Sum, Cout);
input A, B, Cin;
output Sum, Cout;
wire S1, T1, T2, T3;
xor
X1 (S1, A, B),
X2 (Sum, S1, Cin);
and
A1 (T3, A, B),
A2 (T2, B, Cin),
A3 (T1, A, Cin),
or
O1 (Cout, T1, T2, T3);
endmodule
在這一實例中，模塊包含門的實例語句，也就是說包含內(nèi)置門xor、and和or 的實例語句。門實例由線網(wǎng)類型變量S1、T1、T2和T3互連。由于沒有指定的順序, 門實例語句可以以任何順序出現(xiàn)；圖中顯示了純結(jié)構(gòu)；xor、and和or是內(nèi)置門原語；X1、X2、A1等是實例名稱。緊跟在每個門后的信號列表是它的互連；列表中的第一個是門輸出，余下的是輸入。例如，S1與xor 門實例X1的輸出連接，而A和B與實例X1的輸入連接。
4位全加器可以使用4個1位全加器模塊描述。下面是4位全加器的結(jié)構(gòu)描述形式。
module FourBitFA (FA, FB, FCin, FSum, FCout );
parameter SIZE = 4;
input [SIZE:1] FA, FB;
output [SIZE:1] FSum
input FCin;
input FCout;
wire [ 1: SIZE－1] FTemp;
FA_Str
FA1( .A (FA[1]), .B(FB[1]), .Cin(FCin),
.Sum(FSum[1]), .Cout(FTemp[2])),
FA2( .A (FA[2]), .B(FB[2]), .Cin(FTemp[1]),
.Sum(FSum[2]), .Cout(FTemp[2])),
FA3(FA[3], FB[3], FTemp[2], FSum[3], FTemp[3],
FA4(FA[4], FB[4], FTemp[3], FSum[4], FCout);
endmodule
在這一實例中，模塊實例用于建模4位全加器。在模塊實例語句中，端口可以與名稱或位置關(guān)聯(lián)。前兩個實例FA1和FA2使用命名關(guān)聯(lián)方式，也就是說，端口的名稱和它連接的線網(wǎng)被顯式描述（每一個的形式都為“.port_name (net_name)）。最后兩個實例語句，實例FA3和FA4使用位置關(guān)聯(lián)方式將端口與線網(wǎng)關(guān)聯(lián)。這里關(guān)聯(lián)的順序很重要，例如，在實例FA4中，第一個FA[4]與FA_Str 的端口A連接，第二個FB[4]與FA_Str 的端口B連接，余下的由此類推。

混合設(shè)計描述方式

在模塊中，結(jié)構(gòu)的和行為的結(jié)構(gòu)可以自由混合。也就是說，模塊描述中可以包含實例化的門、模塊實例化語句、連續(xù)賦值語句以及always語句和initial語句的混合。它們之間可以相互包含。來自always語句和initial語句（切記只有寄存器類型數(shù)據(jù)可以在這兩種語句中賦值）的值能夠驅(qū)動門或開關(guān)，而來自于門或連續(xù)賦值語句（只能驅(qū)動線網(wǎng)）的值能夠反過來用于觸發(fā)always語句和initial語句。
下面是混合設(shè)計方式的1位全加器實例。
module FA_Mix (A, B, Cin, Sum, Cout);
input A,B, Cin;
output Sum, Cout;
reg Cout;
reg T1, T2, T3;
wire S1;
xor X1(S1, A, B); // 門實例語句。
always
@ ( A or B or Cin ) begin // always 語句。
T1 = A & Cin;
T2 = B & Cin;
T3 = A & B;
Cout = (T1| T2) | T3;
end
assign Sum = S1 ^ Cin; // 連續(xù)賦值語句。
endmodule
只要A或B上有事件發(fā)生，門實例語句即被執(zhí)行。只要A、B或Cin上有事件發(fā)生，就執(zhí)行always 語句，并且只要S1或Cin上有事件發(fā)生，就執(zhí)行連續(xù)賦值語句。

設(shè)計模擬

Verilog HDL不僅提供描述設(shè)計的能力，而且提供對激勵、控制、存儲響應(yīng)和設(shè)計驗證的建模能力。激勵和控制可用初始化語句產(chǎn)生。驗證運行過程中的響應(yīng)可以作為“變化時保存”或作為選通的數(shù)據(jù)存儲。最后，設(shè)計驗證可以通過在初始化語句中寫入相應(yīng)的語句自動與期望的響應(yīng)值比較完成。
下面是測試模塊Top的例子。該例子測試2.3節(jié)中講到的FA_Seq模塊。
‘timescale 1ns/1ns
module Top; // 一個模塊可以有一個空的端口列表。
reg PA, PB, PCi;
wire PCo, PSum;
// 正在測試的實例化模塊：
FA_Seq F1(PA, PB, PCi, PSum, PCo); // 定位。
initial
begin: ONLY_ONCE
reg [3:0] Pal;
//需要4位, Pal才能取值8。
for (Pal = 0; Pal < 8; Pal = Pal + 1)
begin
{PA, PB, PCi} = Pal;
#5 $display (“PA, PB, PCi = %b%b%b”, PA, PB, PCi,
“ : : : PCo, PSum=%b%b”, PCo, PSum);
end
end
endmodule
在測試模塊描述中使用位置關(guān)聯(lián)方式將模塊實例語句中的信號與模塊中的端口相連接。也就是說，PA連接到模塊FA_Seq的端口A，PB連接到模塊FA_Seq的端口B，依此類推。注意初始化語句中使用了一個for循環(huán)語句，在PA、PB和PCi上產(chǎn)生波形。for 循環(huán)中的第一條賦值語句用于表示合并的目標(biāo)。自右向左，右端各相應(yīng)的位賦給左端的參數(shù)。初始化語句還包含有一個預(yù)先定義好的系統(tǒng)任務(wù)。系統(tǒng)任務(wù)$display將輸入以特定的格式打印輸出。
系統(tǒng)任務(wù)$display調(diào)用中的時延控制規(guī)定$display任務(wù)在5個時間單位后執(zhí)行。這5個時間單位基本上代表了邏輯處理時間。即是輸入向量的加載至觀察到模塊在測試條件下輸出之間的延遲時間。
這一模型中還有另外一個細(xì)微差別。Pal在初始化語句內(nèi)被局部定義。為完成這一功能，初始化語句中的順序過程（begin-end）必須標(biāo)記。在這種情況下, ONLY_ONCE是順序過程標(biāo)記。如果在順序過程內(nèi)沒有局部聲明的變量，就不需要該標(biāo)記。下面是測試模塊產(chǎn)生的輸出。
PA, PB, PCi = 000 ::: PCo, PSum = 00
PA, PB, PCi = 001 ::: PCo, PSum = 01
PA, PB, PCi = 010 ::: PCo, PSum = 01
PA, PB, PCi = 011 ::: PCo, PSum = 10
PA, PB, PCi = 100 ::: PCo, PSum = 01
PA, PB, PCi = 101 ::: PCo, PSum = 10
PA, PB, PCi = 110 ::: PCo, PSum = 10
PA, PB, PCi = 111 ::: PCo, PSum = 11
驗證與非門交叉連接構(gòu)成的RS_FF模塊的測試模塊如下例所示。
`timescale 10ns/1ns
module RS_FF (Q, Qbar, R, S);
output Q, Qbar;
input R, S;
nand #1 (Q, R, Qbar);
nand #1 (Qbar, S, Q,);
//在門實例語句中，實例名稱是可選的。
endmodule
module Test;
reg TS, TR;
wire TQ, TQb;
//測試模塊的實例語句：
RS_FF NSTA (.Q(TQ), .S(TS), .R(TR), .Qbar(TQb));
//采用端口名相關(guān)聯(lián)的連接方式。
// 加載激勵：
initial
begin:
TR = 0;
TS = 0;
#5 TS = 1;
#5 TS = 0;
TR = 1;
#5 TS = 1;
TR = 0;
#5 TS = 0;
#5 TR = 1;
end
//輸出顯示：
initial
$monitor ("At time %t ," , $time,
"TR = %b, TS=%b, TQ=%b, TQb= %b", TR, TS, TQ, TQb);
endmodule
RS_FF模塊描述了設(shè)計的結(jié)構(gòu)。在門實例語句中使用門時延；例如，第一個實例語句中的門時延為1個時間單位。該門時延意味著如果R或Qbar假定在T時刻變化，Q將在T+1時刻獲得計算結(jié)果值。
模塊Test是一個測試模塊。測試模塊中的RS_FF用實例語句說明其端口用端口名關(guān)聯(lián)方式連接。在這一模塊中有兩條初始化語句。第一個初始化語句只簡單地產(chǎn)生TS和TR上的波形。這一初始化語句包含帶有語句間時延的程序塊過程賦值語句。
第二條初始化語句調(diào)用系統(tǒng)任務(wù)$monitor。這一系統(tǒng)任務(wù)調(diào)用的功能是只要參數(shù)表中指定的變量值發(fā)生變化就打印指定的字符串。下面是測試模塊產(chǎn)生的輸出。請注意`timescale指令在時延上的影響。
At time 0, TR=0, TS=0, TQ=x, TQb= x
At time 10, TR=0, TS=0, TQ=1, TQb= 1
At time 50, TR=0, TS=1, TQ=1, TQb= 1
At time 60, TR=0, TS=1, TQ=1, TQb= 0
At time 100, TR=1, TS=0, TQ=1, TQb= 0
At time 110, TR=1, TS=0, TQ=1, TQb= 1
At time 120, TR=1, TS=0, TQ=0, TQb= 1
At time 150, TR=0, TS=1, TQ=0, TQb= 1
At time 160, TR=0, TS=1, TQ=1, TQb= 1
At time 170, TR=0, TS=1, TQ=1, TQb= 0
At time 200, TR=0, TS=0, TQ=1, TQb= 0
At time 210, TR=0, TS=0, TQ=1, TQb= 1
At time 250, TR=1, TS=0, TQ=1, TQb= 1
At time 260, TR=1, TS=0, TQ=0, TQb= 1
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